Moléculas actúan como anticongelante natural

Ciertas moléculas se unen fuertemente a la superficie del hielo, creando una conexión curva que puede detener el crecimiento del hielo, según estudio.

Algunos insectos, plantas y criaturas marinas contienen moléculas de proteínas de este tipo que actúan como agentes anticongelantes naturales, lo que permite que los organismos resistan temperaturas bajo cero.

Los investigadores informan en 'The Journal of Chemical Physics' sobre un método computacional para modelar la unión del hielo utilizando una técnica de sesgo para impulsar la formación de hielo en la simulación.

Las proteínas anticongelantes actúan uniéndose a una conexión existente entre el hielo y el agua líquida. La superficie curva resultante detiene el crecimiento del hielo. También hay moléculas nucleantes de hielo que catalizan la formación de hielo a partir de agua líquida superenfriada.

Ambos fenómenos requieren una comprensión de la forma en que las moléculas se unen al hielo. Comprender la unión del hielo es importante para aplicaciones tan diversas como la criopreservación de órganos y el modelado climático, pero hasta la fecha no existen métodos computacionales para modelar este fenómeno de manera eficiente.

"La ventaja central del enfoque de simulación de polarización del hielo es que identifica simultáneamente la superficie de unión del hielo, la cara del hielo a la que se une y el modo de unión", explicó la autora Valeria Molinero, de la Universidad de Utah, en Estados Unidos.

Los investigadores crearon dos tipos de modelos. Un tipo es un modelo de todos los átomos que contiene todos los átomos en las fases líquida y helada del agua, así como en la molécula de tipo anticongelante. El otro tipo de modelo estudiado se llama modelo de grano grueso, que ahorra recursos computacionales al combinar átomos en estructuras más simples.

El estudio analizó una serie de moléculas que se unen al hielo, incluido el alcohol polivinílico, un inhibidor sintético de la recristalización del hielo, así como proteínas anticongelantes naturales, como una del escarabajo Tenebrio molitor. Las proteínas presentan un desafío de simulación, ya que tienen superficies muy pequeñas que se unen al hielo. Esto limita el tamaño de los cristales de hielo que pueden unir.

Algunos sistemas poseen más de una ubicación donde el hielo puede unirse. Este es el caso de la proteína anticongelante natural en la diatomea del hielo marino 'Frailariopsis cylindrus'. Para determinar si una proteína como esta tiene más de una superficie de unión al hielo, IBS, los investigadores desarrollaron un método al que llamaron "tapa y repite".

"En esta estrategia, primero realizamos una simulación sesgada para detectar un IBS. Luego, tapamos ese IBS para evitar la formación de hielo y realizamos una segunda simulación de sesgo para averiguar si se forma hielo en otros sitios", expuso Molinero.

Los métodos desarrollados en este estudio son muy prometedores para una serie de aplicaciones, incluida la búsqueda de moléculas para proteger los tejidos congelados durante el almacenamiento, la profundización de la comprensión de las proteínas anticongelantes naturales y en modelos climáticos, donde la nucleación del hielo en la atmósfera juega un papel clave. (Europa Press)